При изготовлении ШПЦ из доменного шлака применяется схема совместного помола клинкера, гранулированного шлака и гипса в открытом или замкнутом цикле

ГУРЕВИЧ Б. И., канд. техн. наук, старший научный сотрудник,

ТЮКАВКИНА В. В., канд. техн. наук, научный сотрудник;

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН

Основным вяжущим материалом, обеспечивающим прогресс в строительстве, служит портландцемент, для производства которого на Кольском полуострове отсутствует кондиционное сырье.

Для обеспечения области цементом его приходится завозить с заводов, расположенных на расстоянии более 1000 км. Организация цементного производства в Мурманской области возможна при комплексной переработке сырья и на основе отходов промышленности, например, при переработке нефелина на глинозем,содо-продукты и цемент или апатита на фосфорные удобрения, серную кислоту и цемент.

Вариант, требующий наименьших капиталовложений, - получение шлакопортландцемента (ШПЦ) на основе привозного клинкера и гранулированных медно-никелевых шлаков, запасы которых на 01.01.06 г. составили около 30 млн. м³. На протяжении ряда лет КНЦ РАН ставится вопрос об организации производства цемента в области, однако эти предложения, к сожалению, пока не претворены в жизнь. По инициативе отдела технологии строительных материалов (ОТСМ) ИХТРЭМС КНЦ РАН на основании проведенных исследований в начале семидесятых годов прошлого века рассматривались варианты строительства помольной установки по производству ШПЦ производительностью 700-750 тыс. тонн в год на шлаках комбината «Печенганикель», привозном клинкере и гипсе. Институтом «Гипроцемент» была выполнена предпроектная проработка и технико-экономическое обоснование строительства завода на территории комбинатов «Печенганикель» или «Североникель», либо станции Причальная около Мурманска.

В связи с приближающимся оживлением строительной отрасли в регионе и резким увеличением объемов потребности в цементе с учетом задач, обозначенных «Стратегией развития строительного комплекса Мурманской области до 2015 года», исследования по технологии получения шлакопортландцемента на основе медно-никелевых шлаков в настоящее время продолжены. Ниже приведены основные результаты исследований в области технологии получения шлакопортландцемента. Отличительной особенностью разработанного ШПЦ является его повышенная сульфатостойкость, обусловленная составом медно-никелевых шлаков (содержание оксида кальция не превышает 5 мас.%).

Обычно ШПЦ, производимый промышленностью, содержит доменный шлак, который по химическому и минеральному составам отличается от шлака комбината «Печенганикель». При изготовлении ШПЦ из доменного шлака применяется схема совместного помола клинкера, гранулированного шлака и гипса в открытом или замкнутом цикле. Преимущество раздельного помола заключаются в том, что каждый компонент может быть доведен до оптимального гранулометрического состава, обеспечивающего максимальные гидравлические свойства.

Этот способ наиболее пригоден при помоле компонентов с различной степенью размалываемости.

Для того чтобы выбрать наиболее рациональную схему изготовления ШПЦ из гранулированного шлака медно-никелевого производства, была определена размалываемость смесей следующего состава, мас.%: 47.5 шлака, 47.5 клинкера и 5 гипса, а также 95 клинкера и 5 гипса.

Установлено, что смесь, содержащая шлак, размалывается труднее, чем смесь с портландцементным клинкером. Исходя из различной величины размалываемости, предпочтителен раздельный помол компонентов.

Расход электроэнергии на помол при получении шлакопортландцемента по схемам совместного и раздельного помола очень близок. Для выбора оптимальной схемы помола были приготовлены цементы с удельной поверхностью 400 м²/кг, совместным помолом и смешением предварительно размолотых компонентов до той же удельной поверхности.

В ранние сроки твердения (7 суток) прочность цемента, полученного совместным помолом компонентов в лабораторной мельнице, при сжатии на 48% выше, чем у ШПЦ, полученного раздельным помолом. С течением времени прочности этих цементов выравниваются. При помоле в полупромышленной мельнице наблюдается аналогичная зависимость, однако абсолютные значения прочности выше, а разница между прочностями цементов значительная только в 3-суточном возрасте (23-27%), к 28 суткам прочности практически выравниваются. Таким образом, для получения ШПЦ пригодны схемы как совместного, так и раздельного помола, однако первая предпочтительнее.

Для изготовления рядового ШПЦ достаточно производить его помол до удельной поверхности 300 - 350 м²/кг. При этом расход электроэнергии на помол ШПЦ составит на шлаках комбината «Печенганикель» 59 кВтч/т, для шлаков комбината «Североникель» - 69 кВтч/т.

Результаты испытаний показывают, что практически нет разницы между цементами, полученными на гранулированных шлаках комбинатов «Печенганикель», «Североникель» и Норильского горнометаллургического комбината [1-3]. Партия ШПЦ, изготовленная на опытном заводе «Гипроцемент», состояла из 42-47 мас.% шлака комбината «Печенганикель», 5 мас.% гипса и 48-53 мас.% клинкера. Контроль за дозировкой шлаков наиболее удобно вести по изменению суммарного количества Fe₂O₃, так как его содержание в шлаке составляет 34.74 мас.%, а в клинкере - только 4.14 мас.%. Дозировку материалов производили так, чтобы содержание Fe₂O₃ в смеси было 17-18 мас.%.

Опытная партия быстротвердеющего ШПЦ марки 400, изготовленная на опытном заводе Гипроцемента в количестве 20 т, характеризовалась следующими показателями: удельная поверхность - 400±20 м²/кг, остаток на сите «008» - 1.70+0.20 мас.%, содержание SO₃ - 2.58±0.37 мас.%, Fe₂O₃ - 17.69±0.79 мас.%. Нормальная густота цементного теста - 24.5%; сроки схватывания, час-мин: начало - 2-50, конец - 4-25.

Прочность при сжатии цемента к 3 суткам твердения в воде составляла 26.5 МПа, а к 28 дням достигала 41.9 МПа, при изгибе - 4.0 и 5.65 МПа соответственно, что отвечает требованиям, предъявляемым ГОСТ 10178-85.

Особое внимание было обращено на изучение коррозионной стойкости (КС) ШПЦ в синтетической морской воде, в растворах 5% Na2SO4 5% MgSO₄ и 0.2% CaSO₄.

В образцах из ШПЦ в течение 3-х месяцев не обнаружили признаков разрушения, хотя прочность их равна или несколько ниже, чем при твердении в пресной воде. Испытания показали, что во всех указанных средах ШПЦ служит значительно лучше, чем портландцемент из того же клинкера. Особенно хорошо стоит ШПЦ в растворах гипса и Na₂SO₄. Если коэффициент стойкости ШПЦ для испытуемых сред находится в пределах 0.59-1.40, то у портландцемента он снижается до 0.27-1.11 (таблица 1).

Таблица 1. Прочность и коррозионная стойкость цементов при твердении в агрессивных средах 

Таблица 2. Характеристика производственных бетонных смесей и прочность бетона на шлаках комбината «Печенганикель»

Примечание 4178 - гравий

Повышенная стойкость ШПЦ по отношению к корродирующим сульфатным средам объясняется тем, что в составе шлака нет минералов, способных реагировать с сульфатами с увеличением объема. ШПЦ твердеет при пониженной температуре (4°С) по тем же законам, что портландцемент из того же клинкера. Сцепление арматуры с бетоном на ШПЦ, выраженное в отношении величины сопротивления скольжения к пределу прочности при сжатии, выше нижнего допустимого предела (0.19). С течением времени сила сцепления арматуры с бетоном возрастает. Небольшая коррозия арматуры замечена в пропаренных образцах, испытанных через 2 и 28 суток после пропаривания, в остальных образцах коррозии не обнаружено. Арматура в образцах нормального твердения как в первые сроки испытании, так и в последующие, вплоть до 360 суток, коррозии не подвергалась.

Прочности бетона в 7- и 28-дневном возрасте у образцов после пропаривания и нормального хранения приблизительно одинаковы (таблица 2). Это дает возможность изготовлять крупноразмерные изделия без термообработки.

Расход быстротвердеющего ШПЦ марки 400 на 1 м³ жесткого бетона марки 200 на 40-60 кг меньше, чем расход цемента, предусмотренный нормами, принятыми в Мурманской области. Изделия, изготовленные на исследуемом ШПЦ, применены на строительных объектах трестов «Апатитстрой» и «Ковдорстрой». Кроме общестроительного назначения, ШПЦ с успехом может применяться при строительстве баковаккумуляторов тепла на АЭС и тепловых электростанциях [4]. Цементы, применяемые для самотвердеющей закладки выработанных пространств на рудниках, являются фактически ШПЦ с повышенным содержанием шлака от 60 до 90 мас.%. Эти цементы твердеют во влажных и обводненных условиях рудника, где температура круглогодично не превышает +4°С. Это низкомарочные цементы, обеспечивающие прочность при сжатии жидкотекучего мелкозернистого бетона через 28 суток 0.5-0.76 МПа и увеличивающие ее к 90 суткам до 1.3-11.0 МПа.

В настоящее время на комбинате «Печенганикель» работает закладочный комплекс производительностью 80 м³/ч самотвердеющей бетонной закладки.

Таким образом, ШПЦ на шлаках медно-никелевых предприятий можно использовать для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, твердеющих в воде, во влажных и гидротермальных условиях, работающих в агрессивных средах при повышенных или пониженных температурах.

Литература:

1. Гуревич Б.И. Вяжущие вещества из техногенного сырья Кольского полуострова. -Апатиты: изд. КНЦ РАН, 1996. - 179 с.

2. Портландцементный клинкер из карбонатитов и белитовых шламов / Б. И. Гуревич, В.Н. Макаров, В. В. Тюкавкина и др. // Тез.докл.междунар.конф. "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций". — Ч.1.— Белгород, 1993. - С.12-13.

3. Гранулированный шлак никелевого производства - добавка к вяжущим веществам / Б.И. Гуревич, Н.Г. Добрынина,
Э.О. Штернбек, П.В. Чалый, И.М. Бун // Строительные и технические материалы из минерального и техногенного сырья Кольского полуострова. - Я; Наука, 1979. - С.36-42.

4. Бетоны из вторичного сырья / Б.И. Гуревич, В.Н. Макаров, Г.В. Серегин и др. - Апатиты: изд. КНЦ РАН, 1997. - 162 с.

Журнал "СЕВЕР строительный" 1 квартал 2007 г.

Еще статьи на тему "шлак":

Комплексная переработка отвальных шлаков комбината «Печенганикель»

Определение возможности использования отходов переработки отвальных шлаков

Использование золошлаковой смеси Апатитской ТЭС в ячеистых бетонах